Учитывая сжатые сроки проектирования, в качестве шасси взяли без изменений ходовую часть танка КВ-1. В передней части корпуса смонтировали боевую рубку, сваренную из 75-мм броневых листов. Кроме того, лобовые листы корпуса и рубки усилили 20-мм броневыми экранами. Рубка была шире корпуса, поэтому с бортов выходила за его габариты и нависала над гусеницами. Из-за больших, по сравнению с танком, габаритов вооружения в машине пришлось изменить расположение топливных и масляных баков.
Первый вариант артсамохода КВ-7 (с двумя 45-мм и одной 76-мм пушками) во время испытаний на полигоне. Зима 1942 года
Артиллерийские орудия, согласно заданию, должны были быть смонтированы в едином блоке. Предполагалось, что одна машина, вооруженная тремя пушками, сможет более эффективно обеспечить поражение различных целей при сопровождении танков. В итоге вооружение машины состояло из строенных на общей люльке одной 76-мм танковой пушки Ф-34 и двух 45-мм танковых пушек 20К обр. 1932/34 г. Конструкция установки позволяла производить одновременный залп из трех орудий или вести одиночный огонь из любого из них. Общая люлька с полосками и гнездами для крепления противооткатных устройств всех трех орудий имела возможность с помощью подъемного механизма вертикально вращаться на горизонтальных цапфах, закрепленных в массивной рамке. В свою очередь, рамка могла с помощью поворотного механизма горизонтально вращаться на вертикальных цапфах, закрепленных в неподвижной бронировке, установленной на корпусе машины. Таким образом, наведение всех трех орудий производилось одновременно общими механизмами. Вертикальный угол наведения составлял от +15° до -5°, горизонтальный — 15°, то есть по 7°30’ в каждую сторону. Неподвижная бронировка прикрывалась подвижным щитом толщиной 100 мм. Зазор между подвижной бронировкой и корпусом машины был защищен броневым прикрытием. При стрельбе из пушек использовался телескопический прицел ТМФД-7. Вспомогательным вооружением служили два пулемета ДТ, установленные в шаровых опорах: один — в лобовом листе корпуса, второй — в кормовом листе боевой рубки. Боекомплект машины состоял из 93 выстрелов калибра 76 мм, 200 выстрелов калибра 45 мм и 3591 патрона к пулеметам ДТ. Экипаж установки включал шесть человек. Механик-водитель и стрелок радист находились в отделении управления аналогично танку КВ-1. В боевом отделении слева от орудий размещался наводчик, за ним — первый заряжающий, справа от орудий впереди — командир машины, за ним — второй заряжающий.
Опытный образец строенной пушечной установки под заводским индексом У-13 изготовили на Уралмашзаводе в период с 11 по 23 декабря 1941 года и испытали отстрелом на стенде на полигоне завода. Окончательная сборка машины, получившей обозначение КВ-7, была выполнена на ЧКЗ в начале 1942 года. Эта машина стала первой тяжелой самоходной артиллерийской установкой, созданной в СССР в годы Великой Отечественной войны. Впервые примененная на этой машине рамочная конструкция установки орудий впоследствии использовалась почти на всех советских самоходках. По сравнению с тумбовыми установками, она обеспечивала наиболее компактное размещение орудия внутри боевой рубки.
После нескольких заводских пробегов самоход КВ-7 в спешном порядке отправили в Москву. Несмотря на то что КВ-7 проектировался по заявкам военных как «штурмовой танк с массированным артогнем, способный наиболее успешно подавлять артбатареи и разрушать оборонительные сооружения противника», он не получил одобрения у представителей ГБТУ и командования Красной Армии. В качестве главных недостатков машины отмечались:
— наличие в одном блоке орудий различных калибров с различной баллистикой, что не позволяло вести прицельную стрельбу одновременно из трех орудий, так как в зависимости от дистанции до цели углы вертикального наведения орудий различны;
— при стрельбе из крайних орудий, благодаря наличию значительного расстояния между осью вращения блока орудий и осью бокового орудия, происходила большая сбиваемость наводки в горизонтальной плоскости, постоянно увеличивавшаяся в процессе стрельбы.
Своим постановлением № 111 Осс от 6 января 1942 года ГКО «отставил представленный трехорудийный образец КВ-7 и постановил вооружить КВ-7 спаренной установкой 76-мм орудий».